Так как параметр А в линейных спектрометрах пропорционален энергии частицы Е, то разрешение

(12)

По известному разрешению спектрометра R рассчитывают минимальное различие в энергиях частиц DЕ, когда спектрометр разделяет частицы по энергии. В общем случае разрешение R является функцией энергии Еа. Это означает, что отношение минимальной разности энергий DЕ к энергии частиц Е0 имеет неодинаковые значения при различных энергиях.

Найдем значение DЕ для магнитного спектрометра с разрешением 0, 1% при энергии частиц Е₀ = 3 МэВ:

Следовательно, магнитный спектрометр с разрешением 0, 1% при энергии Е₀ = 3 МэВ различает две частицы, если их энергии отличаются на 3 кэВ и больше. Наряду с разрешением R используется разрешающая способность спектрометра К. Она равна обратному значению разрешения:

К= 1/R. (13)

В отличие от разрешения R величина К показывает число спектральных линий, укладывающихся в интервале энергий от нуля до Е₀. Так, разрешающая способность магнитного спектрометра со значением R = 0, 1% при энергии T₀ = 3 МэВ равна 10³.

СПЕКТРОМЕТРЫ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

Измерение спектра методом анализа амплитуд импульсов

Импульсные детекторы (импульсные ионизационные камеры, пропорциональные, сцинтилляционные и полупроводниковые счетчики) служат основой для конструирования спектрометров заряженных частиц. Главное требование, предъявляемое к импульсным детекторам, - это пропорциональность амплитуды импульса энергии частицы, поглощенной в детекторе. Анализируя импульсы по амплитудам, в эксперименте получают амплитудное распределение j(U0), а затем соответствующий этому распределению дифференциальный спектр частиц. Измерительную аппаратуру для изучения амплитудного распределения j(U0) называют амплитудным анализатором.

Интегральный амплитудный анализатор состоит из усилителя сигналов с детектора, дискриминатора импульсов по амплитуде и регистрирующего устройства типа пересчетной схемы. К дискриминатору и усилителю импульсов предъявляют очень жесткие требования. Порог дискриминатора должен перекрывать весь диапазон измеряемых амплитуд. Усилитель сигналов подбирают таким, чтобы коэффициент усиления не зависел от амплитуды импульса. Независимость коэффициента усиления от амплитуды импульса называют линейностью усилителя. Это свойство усилителя необходимо для сохранения пропорциональности между амплитудами импульса на выходе из усилителя и энергией частицы. Для перехода от распределения Ф(Е₀) к распределению F(E) спектрометр градуируют по спектру излучения образцового источника. При градуировке устанавливают связь между параметром А и энергией частиц Е. Градуировочная кривая может быть линейной функцией А=bЕ (b - коэффициент пропорциональности) или более сложной функциональной зависимостью.

Простейший одноканальный дифференциальный анализатор состоит из двух дискриминаторов и схемы антисовпадений. Пороги дискриминаторов различаются на величину DU₀. Вместе со схемой антисовпадений дискриминаторы пропускают на регистрирующее устройство лишь импульсы с амплитудами в интервале от U₀ до U₀ + DU₀. Последовательно сдвигая пороги дискриминаторов на величину DU₀, измеряют весь диапазон спектра амплитуд и получают спектр (DU₀). Современные системы дифференциальных анализаторов - многоканальные. Они охватывают сразу весь диапазон измеряемых амплитуд импульсов. Рассмотрим принцип анализа амплитуд таким анализатором. На вход анализатора поступают импульсы, имеющие непрерывные значения амплитуд в каком-то интервале. Анализатор имеет конечное число каналов. Поэтому анализатор не различает импульсы, амплитуда которых лежит в пределах одного канала DE₀. Входное устройство анализатора сортирует импульсы по каналам в зависимости от амплитуды. Измеряя амплитуду импульса, входное устройство вырабатывает некоторую дискретную величину, характеризующую номер канала, в котором должен запоминаться импульс. Эту величину называют адресом. Примером адреса является серия генераторных импульсов, число которых пропорционально амплитуде импульса. В соответствии с адресом импульс запоминается в определенном канале другой части анализатора - регистраторе, представляющем собой набор счетчиков импульсов (количество счетчиков равно числу каналов анализатора). Многоканальные спектрометры значительно ускоряют измерение спектра излучения, так как в течение одного эксперимента снимается сразу весь спектр излучения.

Часть изотопов могут самопроизвольно испускать α -частицы (испытывать

α - распад). Подавляющее большинство α - радиоактивных изотопов (более 200) расположено в периодической системе в области тяжелых ядер (Z> 83). Это обусловлено тем, что α - распад связан с кулоновским отталкиванием, которое растет по мере увеличения размеров ядер быстрее (как Z² ), чем ядерные силы притяжения, которые растут линейно с ростом массового числа А.

Периоды полураспада известных а-радиоактивных нуклидов варьируется от 0, 298 мкс для ²¹² Ро до (2-5) 10¹⁵ лет для ¹⁴²Се, ¹⁴⁴Nd, ¹⁴⁴Hf.

Энергия а-частиц, испускаемых тяжелыми ядрами из основного состояния, составляет 4-9 Мэ2-4, 5 МэВ.

Важным свойством α - распада является то, что при небольшом изменении энергии а-частиц периоды полураспада изменяются на много порядков. Так у ²³² Th Q_a = 4, 08 МэВ, Т_1/2 = 1, 41 10 ¹⁰ лет, а у ²¹⁸ Th Q_a =9, 85 МэВ, Т_1/2 = 10 мкс. Изменению энергии в два раза соответствует изменение периода полураспада на 24 порядка.

·

В начале 20 века сцинтилляционный метод (визуальный счет вспышек в спинтарископе с экраном из сцинтиллятора ZnS), был одним из первых методов регистрации радиоактивного излучения.

Замена глаза высокочувствительным фотоумножителем (1947 год) и применением более совершенных сцинтилляторов привели к тому, что сцинтиляционная методика регистрации радиоактивного излучения заняла одно из ведущих мест.

В настоящее время основным методом определения α - излучателей с различными периодами полураспада является α - спектрометрия с применением полупроводниковых детекторов.

Альтернативой α - спектроскопии с полупроводниковыми детекторами является жидкостно-сцинтилляционная спектроскопия.

Однако несмотря на высокую (практически 100%) эффективность регистрации, разрешение α -пиков в ЖС α - спектроскопии не превышает 300-600 кэВ.

Наибольшее распространение получили кремневые полупроводниковые поверхностно-барьерные (SBD-Surface Barrier Detector) или (PIPS-Passivated Planar Silicon) детекторы. В настоящее время применяют кремневые детекторы различной площади и с толщиной чувствительного слоя около 100 мкм, что обеспечивает полное поглощение α - частиц с энергиями от 4 до 9 МэВ. При проведении измерений детектор и препарат находятся в вакуумной камере для предотвращения ослабления потока α - частиц воздухом.

Рис. Схема включения полупроводникового детектора. Толщина обедненной области у кремневых детекторов от 10 мкм до 5 мкм.

\\ Блок-схема установки состоит из камеры с α -источником, детектора и регистрирующей аппаратуры.

Электронная регистрирующая аппаратура состоит из зарядочувствительного предусилителя, усилителя. Импульсы с усилителя поступают в аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который служит интерфейсом ЭВМ. Зарядочувствительный предусилитель служит для преобразования информации о заряде, образовавшемся в чувствительной области детектора в амплитуду импульса.

Усилитель усиливает и формирует сигналы для улучшения соотношения сигнал-шум.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) служит для измерения

амплитуд импульсов, т.е. Перевода аналоговой информации в цифровую. Он генерирует число линейно зависимое от амплитуды входного сигнала. Событие, обработанное АЦП фиксируется в соответствующей определенному диапазону амплитуд ячейке памяти (канале). Каналы последовательно нумеруются так, что большим амплитудам соответствуют большие номера каналов. По мере набора статистики в память ЭВМ формируется распределение номера канала — количество событий, которое после проведения измерений можно наблюдать на мониторе или распечатать.

Источник напряжения смещения детектора служит для создания электрического поля, под воздействием которого собираются заряды, образовавшиеся в детекторе при ионизации производимой в чувствительном слое регистрируемой частицей

Калибровка α -спектрометра по энергии и эффективности.

Для калибровка α - спектрометра по энергии используются доступные стандарты α - излучателей с относительно высокой радиоактивностью. Форма α - пиков и их разрешение зависти от остаточного давления в вакуумной камере.

Из-за малой проникающей способности α -частиц препараты препарата приготовленные для измерений, по возможности, не должны содержать посторонних примесей, а только измеряемый радионуклид, нанесенный на тонким слоем.